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肖俊宇/张永辉合作揭示嗜乳脂蛋白激活γδ T细胞的“分子钳”机制

2025-06-12 点击：

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肖俊宇/张永辉合作揭示嗜乳脂蛋白激活γδ T细胞的“分子钳”机制

T细胞是免疫系统的核心组成部分，分为αβ T与γδ T两大亚群。其中，αβ T细胞通过识别MHC分子提呈的多肽抗原来激活免疫应答¹。1984年发现的γδ T细胞，因其对肿瘤和病原体的快速响应能力，被认为是连接固有免疫与适应性免疫的桥梁。以人体外周血中最丰富的γδ T细胞亚群——Vγ9Vδ2 T细胞为例，它们通过感知靶细胞胞内代谢产物磷抗原（phosphoantigens, pAgs）信号实现对异常细胞的快速识别²。与依赖MHC分子呈递抗原的αβ T细胞不同，γδ T细胞的激活由嗜乳脂蛋白（butyrophilin, BTN）家族介导³。BTN家族的大多数成员主要由胞外类似于免疫球蛋白可变区（IgV）和恒定区（IgC）的结构域，跨膜（TM）和近膜（JM）区共同形成的coiled-coil区域，和胞内的B30.2/SPRY结构域组成⁴。在BTN家族成员中，BTN3A1、BTN3A2、BTN3A3和BTN2A1已被证明在识别pAgs和激活Vγ9Vδ2 T细胞中发挥作用。清华大学张永辉教授和其他团队的先前研究表明，BTN3A1通过胞内B30.2结构域结合磷抗原^5,6，形成的复合界面促进了与BTN2A1 B30.2的相互作用并介导由内而外（inside-out）的免疫激活⁷。在胞外，之前研究表明BTN2A1的胞外区能够与TCR Vγ9链的胚系编码区结合⁸，但BTN3A1的胞外区是否与TCR结合仍存在争议⁵；这些BTN分子如何组装成功能性复合体并精确调控T细胞应答，更是该领域亟待解决的重要科学问题。

2025年6月11日，北京大学、昌平实验室、北大-清华生命科学联合中心肖俊宇课题组与清华大学药学院、清华-北大生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心张永辉课题组合作，在《Immunity》杂志发表题为“Structures of butyrophilin multimers reveal a plier-like mechanism for Vγ9Vδ2 T cell receptor activation”的研究论文，系统揭示了这类γδ T细胞的识别机制：在靶细胞内部，BTN3A1与BTN2A1协同结合磷抗原，实现对胞内代谢变化的高效感知；在靶细胞表面，BTN3A2与BTN3A1形成异源二聚体，并与BTN2A1共同构建出“分子钳”结构——一侧钳住TCR的Vγ9链，另一侧结合Vδ2链的顶端区域，驱动TCR发生构象变化，最终实现激活。该研究为开发靶向γδ T细胞的免疫疗法提供了重要的结构基础和理论依据。

图1. 研究内容总结。BTN多聚体感知磷抗原促进Vγ9Vδ2 TCR结合和T细胞激活，靶向BTN3A的抗体TH001或靶向BTN2A1的抗体TH002可以分别促进和抑制激活。

研究团队首先解析了磷抗原HMBPP（4-羟基-3-甲基-2-烯基焦磷酸）结合状态下全长BTN3A1-BTN3A2–BTN2A1多聚体及其与Vγ9Vδ2 TCR复合物的高分辨率冷冻电镜结构。研究发现，磷抗原HMBPP的存在稳定了BTN3A1-BTN3A2与BTN2A1形成的1:1:2四聚体复合物，BTN3A2和BTN2A1胞外区通过IgV结构域的CFG面结合，遮蔽BTN2A1的TCR结合位点。细胞实验表明，破坏二者结合的BTN3A-IgV突变（如E35A、E106A）和BTN2A1-IgV突变（如E35A、R56A、E59A）能显著增强Vγ9Vδ2 T细胞的激活。

当TCR结合时，BTN多聚体发生旋转构象变化，解离的BTN3A2与BTN2A1胞外区形成双“钳臂”，分别结合TCR的不同区域。BTN2A1结合TCR Vγ9链侧面的胚系编码区域ABED面；BTN3A2被确认为领域内长期寻找的“第二配体”——它占据了TCR顶部，不仅结合Vδ2链的胚系编码区域（CDR1δ/CDR2δ/HV4δ），也结合克隆特异性的CDR3δ环（Leu97δ）和Vγ9链的CDR3γ环（Glu105γ/Lys108γ）。

该研究揭示的这一独特“钳式抓握”双配体识别机制与已报道的αβ TCR–配体识别机制截然不同。随后，为了进一步探究BTN–TCR相互作用的重要性，团队根据界面关键残基设计BTN3A2、BTN2A1和TCR蛋白的突变位点进行T细胞激活实验，并结合先前表位定位研究数据进行整合分析，结果表明关键残基的突变多数可以削弱或消除T细胞的激活。这在分子和细胞层面阐明了γδ T细胞的双重免疫特性：既通过胚系编码区域介导快速的固有免疫响应，又通过互补决定区（CDR3）介导特异性的适应性免疫识别。

研究团队还开发了高活性的BTN3A激动型抗体TH001以及BTN2A拮抗型抗体TH002，并解析了这两种抗体与BTN蛋白形成复合物的结构。TH001与已开发的抗体ICT01相比，具有更高亲和力和促进T细胞对肿瘤细胞的杀伤效果；与抗体20.1相比，占据了更多的BTN3A表位。TH002则通过阻断BTN2A1的TCR结合表位抑制T细胞激活。这不仅有助于进一步阐明γδ T细胞的激活机制，也有望应用于实体瘤治疗和自身免疫病干预。

值得一提的是，这项研究与哈尔滨工业大学黄志伟教授团队于2025年5月在《Immunity》杂志发表的研究成果相互印证，共同增进了对BTN多聚体复合物形成和γδ T细胞活性调控的理解。

北京大学生命科学学院2022级博士研究生张迈、北京大学前沿交叉学科研究院2023级博士研究生王一晴（PTN项目）、苏州大学第一附属医院蔡宁宁、清华大学药学院2023级博士研究生屈莹莹为论文的共同第一作者。张永辉教授（清华大学药学院、清华-北大生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心）和肖俊宇教授（北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、昌平实验室）为论文的共同通讯作者。清华大学马先强、苏州大学附属第一医院张学光教授等为该研究也做出了重要贡献。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、昌平实验室、北京大学生命科学学院启东产业创新基金等项目的资助。北京大学冷冻电镜平台、昌平实验室冷冻电镜平台、清华大学生物样品制备与鉴定平台、北京大学生命科学学院仪器中心、清华大学蛋白质研究技术中心为该研究提供了有力保障。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2025.05.011

肖俊宇

北京大学生命科学学院教授

北大-清华生命科学联合中心PI

邮箱：

junyuxiao@pku.edu.cn

研究领域： 生物化学、结构免疫学

肖俊宇实验室致力于研究与人体疾病密切相关的蛋白机器。2014年回国独立组建实验室后，首先基于之前的研究积累开展了对分泌途径内新型激酶的系统研究，揭示了它们活性调节和底物识别的机制。近年来，更加聚焦对免疫球蛋白的研究，阐明了IgM分子的组装机制，揭示了IgA二聚体的结构细节及其被肺炎链球菌蛋白特异性识别的机理。自新冠疫情爆发以来，积极投身抗疫工作，阐明了一系列高活性新冠病毒中和抗体的结构，系统分析了它们的识别表位、分类特征、配对策略及对不同突变株的应答情况。

参考文献：

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3.Vantourout, P., Laing, A., Woodward, M.J., Zlatareva, I., Apolonia, L., Jones, A.W., Snijders, A.P., Malim, M.H., and Hayday, A.C. (2018). Heteromeric interactions regulate butyrophilin (BTN) and BTN-like molecules governing γδ T cell biology. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, 1039-1044. https://doi.org:10.1073/pnas.1701237115

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8.Fulford, T.S., Soliman, C., Castle, R.G., Rigau, M., Ruan, Z., Dolezal, O., Seneviratna, R., Brown, H.G., Hanssen, E., Hammet, A., et al. (2024). Vγ9Vδ2 T cells recognize butyrophilin 2A1 and 3A1 heteromers. Nat. Immunol. 25, 1355-1366. https://doi.org:10.1038/s41590-024-01892-z